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Bisher sind Großwärmepumpen zur Wärmebereitstellung für Industrieanlagen und Gebäude in Deutschland noch eher eine Seltenheit – Tendenz steigend. Denn sie können eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung des Wärmesektors und für das Erreichen der Klimaziele spielen. Eine Fraunhofer-Studie im Auftrag der Agora Energiewende befindet sogar: „Die gesamte deutsche Wärmenachfrage bis 200 Grad Celsius lässt sich technisch vollständig durch Wärmepumpen decken. Einen besonderen Anteil daran haben Großwärmepumpen ab 500 kW Leistung." Damit lasse sich drei Viertel des deutschen Erdgasverbrauchs einsparen – und rein rechnerisch sowohl der gesamte Bedarf von Gebäudeheizungen und Warmwasser, als auch ein gutes Drittel der industriellen Prozesswärme decken.

Allerdings sind in Deutschland derzeit nur 100 MW installiert, weitere 600 MW sind in Bau oder in Planung[1]. Um bis 2045 klimaneutral zu werden, müsste jährlich eine thermische Leistung von vier GW zugebaut werden.

[1]https://www.heise.de/hintergrund/Studie-Grosswaermepumpen-koennen-drei-Viertel-des-deutschen-Gasverbrauchs-sparen-9187670.html

Um eine Großwärmepumpe zu betreiben, ist eine ergiebige Wärmequelle nötig. Die Wärme kann dabei aus Luft, Erde, Fluss- oder Seewasser, industrieller Abwärme oder Abwasser stammen. Das entsprechende Verteilernetz läuft – im Gegensatz zu einem Netz mit dezentralen, normalen Wärmepumpen, beispielsweise in einem Einfamilienhaus-Quartier – auf einem angehobenen Temperaturniveau. Denn sehr große Wärmepumpen (WP) im MW-Bereich stehen immer an der Quelle: Dadurch hat das Netz selbst eine höhere Temperatur, mit der ggfs. schon ein Großteil des Wärmebedarfes abgedeckt werden kann. Für bestimmte Prozesse kann dann noch eine Booster-WP dort platziert werden, wodurch die Wärmeverluste im Verteilnetz niedriger und damit die Gesamteffizienz des Netzes höher ist. Im Gegensatz dazu haben Netze mit kleinen, dezentralen Wärmepumpen, die in jedem Haus untergebracht sind, in der Regel das Temperaturniveau der Wärmequelle – es ist also kalt. 

Großwärmepumpen werden besonders sinnvoll dort eingesetzt, wo sowohl Heiz- als auch Kühlbedarf besteht, denn wie der kleine Bruder kann auch die Groß-WP beides. Sie eignen sich bestens für die Kombination mit Fernwärmenetzen, Gartenbau und Landwirtschaft, Bädern, Bürogebäuden, Hotels, Krankenhäusern, Supermärkten und der Gastronomie.

Diese Anwendungen haben meist einen hohen Bedarf an Wärme und Kälte und können besonders von niedrigeren Energiekosten für das Heizen und Kühlen profitieren. Ein Business Case wird daraus, wenn es einen ganzjährigen Bedarf an niedertemperierter Wärme und Kälte gibt, der vollautomatisiert gesteuert und durch Smart Meter kontrolliert wird. Dann haben sich die Investitionskosten in eine Groß-Wärmepumpenlösungen bald amortisiert.

Eine Großwärmepumpe funktioniert genauso wie der kleinere Bruder: Wärme wird aus einer regenerativen Quelle entnommen und auf ein Kältemittel übertragen, das die Wärme über einen Wärmetauscher an ein Trägermedium auf höherem Temperaturniveau abgibt. Das kann zum Beispiel Wasser sein, welches für die Wärmebereitstellung verwendet wird. Durch die Temperaturabgabe verflüssigt sich das Kältemittel wieder und wird entspannt, bevor der Prozess erneut beginnt. Zum Kühlen wird der Kreislauf einfach umgedreht und dem Gebäude Wärme entzogen, auf das Kältemittel übertragen und dann mithilfe des Wärmetauschers an die ursprüngliche Wärmequelle zurückgegeben. 
In diesem Kreislauf wird größtenteils nur für das Verdichten und Entspannen zusätzliche Energie in Form von Elektrizität (idealerweise aus erneuerbaren Quellen wie beispielsweise Photovoltaik) benötigt, die restliche Energie wird aus den jeweiligen Wärmequellen (z. B. Erdreich oder Aquathermie) gewonnen. Gerade bei Großwärmepumpen gibt es auch immer mehr Direktverdampfersysteme, die zwar kompliziert zu regeln sind, dafür aber viel zusätzlichen Strom einsparen und somit die Effizienz erhöhen können.
Wie die Effizienz einer Wärmepumpe durch Jahresarbeitszahl und Leistungszahl COP dargestellt wird, haben wir in diesem Blogbeitrag beschrieben. Tendenziell ist die JAZ aber größer, wenn der Temperaturunterschied zwischen Quelle und Verbraucher geringer ist.
Großwärmepumpen bestehen häufig aus mehreren, kaskadierten Wärmepumpen, um den notwenige Leistung zu erreichen.

Da die Wärmepumpenleistung teurer ist als beispielsweise ein Gaskessel, lohnt es sich in der Regel, größere Wärmepufferspeicher zu installieren. Durch die gespeicherte Wärme können Lastspitzen sowie Schwankungen im Bereich der Quellverfügbarkeit kostengünstig (teilweise) abgefangen werden. Dasselbe gilt auch für den selbsterzeugten Strom, beispielsweise aus PV oder Wind. Hier gilt es immer, den selbsterzeugten Strom möglichst selbst zu verbrauchen, um möglichst kosteneffektiv zu wirtschaften und den Strom nicht teuer beziehen und zu Minimalpreisen einspeisen zu müssen. 
Neben den Vorteilen eines effizienteren Energiekonzepts (Die Verschaltung von Wärme und Kälte mittels Wärmerückgewinnung als Wärmepumpenquelle in Kombination mit selbsterzeugtem regenerativem Strom und Speichern reduziert die Abhängigkeit von externen Erzeugern sowie den Gesamtenergiebedarf und spart so Betriebskosten.

Großwärmepumpen werden auch immer öfter bei Projekten zur Entstehung und Transformation von Fernwärmenetzen eingesetzt. 
goodmen energy hat selbst schon einige Kommunen hierzu beraten dürfen und beispielsweise die Dekarbonisierung eines Netzes geplant, das aus Abwasser und Flusswasser gespeist und über eine Großwärmepumpe aktiviert wird. Auch in der Industrie kann mittels Großwärmepumpen Abwärme aus Prozessabluft und Prozesswasser in großem Maßstab zurückgewonnen werden. Dabei sorgen die hohen Temperaturen für eine hohe Effizienz der Wärmepumpen. Durch die so entstehende Reduktion des Wärmebedarfes (auf einen COP 3-4), Fördermöglichkeiten sowie teilweise mögliche Betriebsförderung und den steigenden CO₂-Preis, amortisieren sich die Investitionen schon jetzt in vielen Fällen im vertretbaren Zeitrahmen.

In Hallenbädern entstehen große Mengen an Abwärme, die oft ungenutzt an die Umwelt abgegeben werden. Durch eine Abluft-Großwärmepumpe ist es möglich, diese Abwärme gezielt zurückzugewinnen, wieder zurückzuführen und dadurch den Gesamtwärmebedarf zu reduzieren. Ein in die Abluftwärmepumpe integrierter Ventilator zieht die erwärmte Luft aus dem Hallenbad an, nutzt sie als Wärmequelle für das Wärmepumpenaggregat und leitet die abgekühlte Luft nach außen. Durch die Nutzung dieser Abwärme lassen sich sowohl der Primärenergieverbrauch reduzieren als auch die CO₂-Emissionen verringern. 
Bei unseren Machbarkeitsstudien für die Stuttgarter Bäder (Hallen-, Frei-, Thermal- und Flussbäder) haben auch wir mit entsprechenden Großwärmepumpen und der Nutzung von Abwärme, Warmwasser, Thermalquellen und Flusswasser ausgelegt.

In Prag ist Anfang Dezember 2023 der Startschuss für ein weiteres bemerkenswertes Projekt gefallen: Dort planen wir von goodmen energy als Partner des tschechischen Projektentwicklers JN infra AS schwimmende Energiezentralen, sogenannte ComPons, sowie die dazugehörigen Wärmenetze an Land. Die Pontons sind im Inneren mit vom Flusswasser gespeisten Wasser-Wasser-Großwärmepumpen ausgestattet, die am Ufer befestigt werden. Sie sind für die Wärmeenergieversorgung städtischer Quartiere in der Nähe von schiffbaren Flüssen bestimmt (mehr dazu lesen Sie hier).